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Der Klimawandel: verstehen und handeln Wie besonders ist die Erde? Modul 1 www.klimawandel-schule.de Dr. Cecilia Scorza LMU Fakultät Physik München –1–
Zusammenfassung Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, auf dem sich komplexes Leben über Milliarden von Jahren hinweg entwickelt und erhalten hat. Seit der ersten Entdeckung von Planeten außer- halb des Sonnensystems im Jahr 1995, wurden fast 4000 Exoplaneten entdeckt (Stand: Juni 2020). Jedoch gelten nur etwa ein Dutzend von ihnen als potenziell lebensfreundlich. Daraus folgt, dass Planeten, auf denen Leben möglich erscheint, selten sind und ganz besondere Eigen- schaften aufweisen müssen. Die Erkenntnis wie viele scheinbar zufällige Ereignisse zusammen- kommen müssen, damit ein Planet wie die Erde entsteht, zeigt wie besonders unser Heimatpla- net wirklich ist! Das ist das Ziel dieses Moduls. –2–
Inhalt Die Bewohnbarkeit der Erde verstehen...................................................... 4 1.1. Ein ruhiger Ort in der Galaxis ................................................................................................................... 4 1.2. Die Lebenszone des Sonnensystems ....................................................................................................... 4 1.3. Die Entstehung des Sonnensystems und der Erde ................................................................................... 5 1.4. Nur die Erde behielt ihr Wasser ............................................................................................................... 5 1.5. Wie der Mond die Erde lebensfreundlich machte .................................................................................... 6 1.6. Ein Magnetfeld als Schutzschild der Erde ................................................................................................. 6 Aktivitäten ................................................................................................... 8 Aktivität 1– Die Erde im Sonnensystem [2] ..................................................................................................... 8 1.7. Vorlagen und Materialien ...................................................................................................................... 10 Literatur .................................................................................................... 13 –3–
DiDie Bewohnbarkeit Bewohnbarkeit derder Erde Erde verstehen verstehen 1.1. Ein ruhiger Ort in der Galaxis Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist eine Spiralgalaxie, die ca. 200 Milliarden Sterne beherbergt. Der für die Erde wichtigste Stern, die Sonne, befindet sich in einer ruhigen Region der Milchstraße, au- ßerhalb eines Spiralarmes und weit weg vom galaktischen Zentrum (siehe Abbildung 1). Sie liegt damit auch weit entfernt von Gebieten mit hoher Sternendichte und damit außer Reichweite von Sternen, die als Supernova explodieren und mit ihrer Gammastrahlung das Le- ben auf der Erde vernichten könnten. Diese Zone wird „Habitable Abbildung 1 –Illustration der Lage des Zone der Galaxis“ genannt. Sonnensystems in der Galaxis (Credits: Mandaro/Anpassung Scorza) 1.2. Die Lebenszone des Sonnensystems Unser Sonnensystem besteht aus einem Stern (Sonne), vier Gesteinsplaneten (Merkur, Venus, Erde und Mars), vier Gasplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun), einigen Zwergplaneten (z.B. Pluto), den Monden der Planeten, Asteroiden und Kometen. Ein Maß für die Lebensfreundlichkeit eines Planeten ist seine Entfernung zum Mutterstern: Befindet sich der Planet in der Lebenszone des Sterns, also dort wo Wasser in flüssiger Form bestehen kann, steigert dies die Chance, dass sich Leben entwickelt. Im Sonnensystem erstreckt sich die Lebenszone von Venus bis Mars (siehe Abbildung 2). Die Erde befindet sich also mitten drin. Abbildung 2 – Die Erde liegt inmitten der Lebenszone des Sonnensystems. Achtung: Im Gegensatz zu den Planetengrößen sind die Entfer- nungen nicht maßstabsgerecht! (Credits: NASA/verändert Scorza) –4–
1.3. Die Entstehung des Sonnensystems und der Erde Trotz aller Unterschiede zwischen ihnen sind die Pla- neten des Sonnensystems zusammen mit der Sonne vor etwa viereinhalb Milliarden Jahren alle aus einer protoplanetaren Gas- und Staubscheibe (siehe Abbil- dung 3) entstanden. Diese formte sich aus Restmate- rie einer Supernova-Explosion, in der alle Elemente, die im Kern des Sterns durch Kernfusion und während der Supernova-Explosion erzeugt wurden, vorhanden waren: von Helium über Kohlenstoff bis Eisen, Gold Abbildung 3 – Die Entstehung des Sonnensystems und Uran. Diese Elemente und auch feiner Staub (be- (Credits: NASA) stehend aus Silikaten und Graphit) mischten sich nach der Supernova-Explosion mit wasserstoffhaltigen Gaswolken in der Umgebung [1]. Zuerst entstanden in dieser protoplanetaren Scheibe die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Nep- tun. Da dies weit entfernt von der Sonne geschah, konnten sie aufgrund der niedrigen Temperaturen mithilfe der Kraft der Gravitation relativ schnell große Mengen an Gas um ihre großen Gesteinskerne binden. Später formten sich aus feinem Staub die Kerne der Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars, die in der Folgezeit über zahllose Einschläge anderer Himmelskörper Material ansammelten und auf Planetengröße anwuchsen. Dieser Entstehungsprozess dauerte ca. 100 Millionen Jahre. 1.4. Nur die Erde behielt ihr Wasser Aufgrund der vielen heftigen Kollisionen in der frühen Entstehungsphase des Sonnensystems sind alle Gesteinsplaneten als sehr heiße, glühende Kugeln entstanden. Einmal abgekühlt waren sie deshalb tro- cken. Aber woher kam dann das Wasser? Wasser kam bereits in der protoplanetaren Scheibe vor. Das kostbare Element sammelte sich in entlegenen Gebieten jenseits der Marsbahn (näher an der Sonne wäre es schnell verdunstet) in Form von Eis unter anderem in porösen Asteroiden und Kometen an. Aufgrund von Wanderbewegungen der Gasriesen Jupiter und Saturn wurden viele wasserhaltige Asteroiden aus ihren Bahnen herauskata- Abbildung 4 – Der maßstabsge- pultiert. Einige wurde von der Sonne angezogen, schlugen auf der Ober- treue kugelförmige Wassertrop- fen enthält das komplette Wasser fläche der inneren Gesteinsplaneten ein und brachten ihnen so das der Erde (Credits: Perlman&Cook) Wasser. Dieses sammelte sich auf den drei Planeten in der Lebenszone (Venus, Erde und Mars) in Form von Wasserdampf an. Bedingt durch ihre Nähe zur Sonne wurde der Wasserdampf in der Venusatmosphäre von der UV-Strahlung der Sonne gespalten und die flüchtige Wasserstoffkomponente entwich ins All. Der Mars hingegen konnte den Wasserdampf aufgrund seiner zu kleinen Masse nicht halten. Nur auf der Erde sammelte sich im Laufe der Zeit immer mehr Wasserdampf in der Atmosphäre an. Dadurch erhöhte sich der atmosphärische Druck und als die Erdoberfläche abkühlte, fiel das Wasser als Regen auf die Oberfläche. Auf der Erde entstanden auf diese Weise die Meere und Ozeane. Große Mengen an CO2 wurden aus der Luft vom Regen ausgespült und auf dem Meeresboden in Form von Kalkgestein gelagert. So hat der Regen die Atmosphäre der Erde lebensfreundlicher gemacht. Als viel später die –5–
Pflanzen begannen, weiteres CO2 aufzunehmen und über Fotosynthese in Sauerstoff umzuwandeln, bildete sich eine Ozonschicht, welche die Erdoberfläche vor UV-Strahlung schützte – eine wichtige Vo- raussetzung für die biologische Vielfalt auf der Erde. Ein Indiz für den Ursprung des Wassers auf der Erde liefert seine chemische Analyse: Unser H2 O weist ein charakteristisches Massenverhältnis von normalem Wasserstoff zu Deuterium (schwerer Wasserstoff) von : = 1: 1,5 ⋅ 10−4 auf, das man auch im Wasser von (koh- lenstoffhaltig chondritartigen) Asteroiden findet. Abbildung 5 – Deuterium zu Wasserstoff (H/D) im Sonnensystem (Credits: ESA, nach: Altwegg, K. et al., Science 10.1126/science.1261952, 2014, fig. 3) 1.5. Wie der Mond die Erde lebensfreundlich machte Unser Mond formte sich vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus der Kollision der Erde mit dem Protoplaneten Theia, der dop- pelt so schwer war wie der Mars. Nach dem Zusammenprall sammelte sich ein großer Teil der abgeschlagenen Materie und ballte sich in einer Umlaufbahn um die Erde zusammen – der Mond war geboren. Zuvor benötigte die Erde nur drei bis vier Stunden für eine Umdrehung und ihre Drehachse taumelte hin und her. Auf ei- Abbildung 6 – Zusammenprall von Theia mit der Erde - die Entstehung des Mondes ner Erde, die so schnell rotiert, würde die Atmosphäre mit bis (Credits: NASA) zu 500 Kilometern pro Stunde über die Oberfläche hinwegfe- gen. Erst die Anwesenheit unseres Trabanten verlangsamte die Drehbewegung der Erde auf die heuti- gen 24 Stunden pro Umdrehung. Auch die Drehachse wurde durch den Mond stabilisiert und liegt heute leicht geneigt bei 23,4° im Bezug zur Ekliptik. Diese Neigung verursacht die Jahreszeiten und schwächt die Wetterschwankungen der Erde ab. 1.6. Ein Magnetfeld als Schutzschild der Erde Viele Planeten haben ein schwaches permanentes Magnetfeld. Die Erde dagegen besitzt ein dynami- sches Magnetfeld, welches durch Prozesse im Erdinneren aufrechterhalten wird. Bei diesen wird, ähn- lich wie bei einem Dynamo, Bewegungsenergie in elektromagnetische Energie umgewandelt. Die zu- grundeliegende Physik ist nicht einfach nachvollziehbar. Grob erklärt lässt die Hitze im Erdinneren meh- rere tausend Grad heißen und eisenhaltigen Gesteinsbrei in Richtung Erdoberfläche aufsteigen. Dieser –6–
kühlt dabei ab, sinkt teilweise wieder, wird von der Corioliskraft auf Schraubenbahnen gezwungen und erzeugt so das Magnetfeld. Warum besitzt ausgerechnet die Erde ein so starkes und dynamisches Mag- netfeld? Höchstwahrscheinlich spielt die Einschlagsenergie des Protoplaneten Theia eine wichtige Rolle. Sein Eisenkern versank beim Zusammenprall praktisch komplett im Zentrum der Erde. Damit ist er mitverantwortlich für die Hitze im Erdinneren und ermöglicht den Aufbau eines magnetischen Feldes. Ohne diesen Schutzschild wäre die Erdoberfläche dem sogenannten Sonnenwind schutzlos ausgeliefert. Dieser besteht aus hochenergetischen geladenen Teilchen, die Moleküle zerstören können und den Aufbau von kom- Abbildung 7 – Das Magnetfeld der Erde (Credits: NASA) plexeren Lebewesen unmöglich machen. Unser Erd- magnetfeld schützt uns vor dieser kosmischen Gefahr, denn die geladenen Teilchen des Sonnenwindes werden von ihm abgelenkt. Manchmal kann man im hohen Norden und auch in der Antarktis den Him- mel leuchten sehen, das sind die Nord- und Südlichter. Sie entstehen bei Stürmen des Sonnenwindes. Man sieht dann praktisch das Erdmagnetfeld bei seiner Arbeit als Schutzschild. Die Bewegungsenergie der Sonnenwindteilchen wird von den magnetischen Feldlinien der Erde aufgenommen. Als elektrische Ströme in der Hochatmosphäre bringen sie die Luft zum Leuchten, wie bei einer Leuchtstoffröhre. Kleine Anmerkung: Sollte jemand vorhaben, den Mars zu besuchen – er hat kein Magnetfeld. Gefährli- che Sache so ein Marsaufenthalt. Alle oben beschriebenen astronomischen Ereignisse und geologischen Prozesse führten dazu, dass aus einem trockenen Gesteinsplanet eine bewohnbare Welt wurde! –7–
Aktivitäten Aktivität 1– Die Erde im Sonnensystem [2] Was macht unsere Erde zu einem bewohnbaren Planeten? Hintergrund: Die Erde zählt, wie Merkur, Venus und Mars, zu den inneren Gesteinsplaneten des Sonnensystems. Es folgt der Asteroidengürtel (mit ca. 650.000 Asteroiden!) und die vier Gasriesen Jupiter, Saturn, Neptun und Uranus sowie viele Zwergplaneten wie Pluto. Um alle Sterne, und damit auch um unsere Sonne, gibt es eine sogenannte Lebenszone - ein Bereich, in dem Wasser flüssig existieren kann. Die Erde und Mars befinden sich in der Lebenszone, jedoch nur die Erde ist bewohnbar. Warum? Die Planeten unseres Sonnensystems im Größenmaßstab. Die Abstände untereinander sind hier deutlich zu klein dargestellt! (Credits: Scorza) Materialien: Hintergrundbild mit Sonnenumriss Planetenmodelle aus Holz (Gesteinsplaneten) Laminierte Gasplaneten, einzeln ausgeschnitten. Lebenszone (blaue Transparentfolie) Maßband Materialien für die Aktivität Durchführung: Teil 1: Wo befindet sich die Erde im Sonnensystem? Der Abstand von der Sonne zur Erde beträgt ca. 150 Mio. km (diese Entfer- nung wird als Astronomische Einheit (AE) bezeichnet). In unserem Modell komprimieren wir diese Entfernung auf 10 cm. Der Radius der hellgelben Scheibe entspricht also einer AE. Die Lebenszone in unserem Sonnensys- temmodell wird durch die 6 cm2 blaue Transparentfolie dargestellt. Trage in dieser Größenskala die Abstände der Planeten zur Sonne so- wie die Lage der Lebenszone in die Tabelle ein. Ausschnitt der Sonne (Credits: Scorza) –8–
Planet Abstand von der Sonne in AE Abstand im Modell in cm Merkur 0,4 Venus 0,7 Erde 1,0 10 Mars 1,5 Jupiter 5,2 Saturn 9,5 Uranus 19,2 Neptun 30,1 Lebenszone 0,85 ( innerer Rand) Lege die hellgelbe Scheibe auf den Boden und platziere jeweils die Planetenkugeln, die Lebenszone und die Gasplaneten in der richtigen Entfernung entlang einer Linie auf dem Boden. Hinweis: Die Planeten werden im Vergleich zu den Abständen in diesem Modell viel zu groß dargestellt! Der Maßstab der Planeten untereinander stimmt allerdings. Aktivität 2: Erde und Mars im Vergleich Welche Rolle spielt die Masse für die Bewohnbarkeit der Erde? Wo befindet sich das Erdmodell bezüglich der Lebenszone? Platziere nun den Mars an die Stelle der Erde. Diskutiere, ob der Mars dann bewohnbar wäre. Verglei- che dabei die Masse des Mars (6,4 ⋅ 1023 ) mit der der Erde (5,9 ⋅ 1024 ) und überlege, wie die Dichte der Atmosphäre eines Planeten mit seiner Masse (und Anziehungskraft) zusammenhängt. Denke dabei an unseren Mond ( = 7,35 ⋅ 1022 ). Gibt es dort eine Atmosphäre? Erde und Mars im Vergelich (Credits: NASA) –9–
1.7. Vorlagen und Materialien – 10 –
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Holzkugel für die Gesteinsplaneten: Planeten Durchmesser Quelle (Modulor) https://www.modulor.de/holzkugel-buche-durchge- Merkur Holzkugel 4 mm bohrt-roh-o-4-0-x-1-8-mm-200-stueck.html https://www.modulor.de/holzkugel-buche-durchge- Venus Holzkugel 10mm bohrt-roh-o-10-0-x-2-8-mm-100-stueck.html Erde Holzkugel 10mm dto https://www.modulor.de/holzkugel-buche-durchge- Mars Holzkugel 6mm bohrt-roh-o-6-0-x-2-0-mm-200-stueck.html – 12 –
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